Influence of the Freeze-Drying Process on the Physicochemical and Biological Properties of Pre-heated Amphotericin B Micellar Systems

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise in vitro da atividade antifúngica e de toxicidade da anfotericina B pré-aquecida

The aim of this work was to evaluate how an aqueous micellar system containing Amphotericin B (AmB) and sodium deoxycholate (DOC) can be rebuilt after heating treatment. Also a review of the literature about the new physicochemical and biological properties of this new system was carried out. Afterwards, heated (AmB-DOC-H) and unheated (AmB-DOC) micelles were subsequently diluted at four different concentrations (50mg.L-1, 5mg.L-1, 0.5mg.L-1 and 0.05mg.L-1) to perform the physicochemical study and, then, the pharmacotoxicity assay, in which two cell models were used for the in vitro experiments, Red Blood Cells (RBC) from human donors and Candida parapisilosis (Cp). While potassium (K+) and hemoglobin leakage from RBC were the used parameters to evaluate the acute and chronic toxicity, respectively, the efficacy of AmB-DOC and AmB-DOC-H were assessed by K+ leakage and cell survival rate from Cp. The spectral study revealed a slight change on the aggregate peak from 327nm to 323nm for AmB-DOC-H compared to AmB-DOC. Concerning the toxicity, although AmB-DOC and AmB-DOC-H presented different behavior for hemoglobin leakage, AmB-DOC produced higher leakage than AmB-DOC-H at high concentrations (from 5mg.L-1) with values tending to zero. However, concerning K+ leakage, both AmB-DOC and AmB-DOC-H, showed similar profile for both cell models, RBC and Cp (p<0,05). AmB-DOC-H and AmB-DOC also revealed similar profile of activity against Cp with equivalent survival rate. In short, the AmB-DOC-H showed much less toxicity than AmB-DOC, but remained as active as the late one against fungal cell. Therefore, the results highlight the importance of this new procedure as a simple, inexpensive and safe alternative to produce a new kind of micelle system for treatment of systemic fungal infections

How can micelle systems be rebuilt by a heating process?

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Alteration in cellular viability, pro-inflammatory cytokines and nitric oxide production in nephrotoxicity generation by Amphotericin B: Involvement of PKA pathway signaling

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn

Molecular Modeling Studies on Amphotericin B and its Complex with Phospholipid,

Molecular dynamics simulation studies on polyene antifungal antibiotic amphotericin B, its head-to-tail dimeric structure and lipid - amphotericin B complex demonstrate interesting features of the flexibilities within the molecule and define the optimal interactions for the formation of a stable dimeric structure and complex with phospholipid.

CD and NMR studies on the aggregation of amphotericin-B in solution

We report in this paper the aggregation properties of amphotericin-B (amp-B) in solution using CD and 1H-NMR techniques. Our results indicate that the preferred structure of amp-B in dimethylsulfoxide is a monomer at low concentrations (10−4M and below) and a stable dimer at higher concentrations (range 5 · 103 M to 10−2M). In a DMSO/ethanol mixture (1:1 (v/v)), the antibiotic is monomeric, irrespective of the concentration within the range studied. We propose a head-to-tail model based on NMR data. An understanding of the head-to-tail dimer, is, we believe important, particularly in view of the recent report wherein it is proposed that the drug inserts into bilayers as head-to-tail oligomers.

Lipid-amphotericin B complex structure in solution: A possible first step in the aggregation process in cell membranes

The interactions between the polyene antibiotic amphotericin B with dipalmitoylphosphatidylcholine were investigated in vesicles (using circular dichroism) and in chloroform solution (using circular dichroism and IH, I3C, and 31P nuclear magnetic resonance). The results show that amphotericin B readily aggregates in vesicles and that the extent of aggregation depends on the 1ipid:drug concentration ratio. Introduction of sterol molecules into the membrane hastens the process of aggregation of amphotericin B. In chloroform solutions amphotericin B strongly interacts with phospholipid molecules to form a stoichiometric complex. The results suggest that there are interactions between the conjugated heptene stretch of amphotericin B and the methylene groups of lipid acyl chains, while the sugar moiety interacts with the phosphate head group by the formation of a hydrogen bond. A model is proposed for the lipid-amphotericin B complex, in which amphotericin B interacts equally well with the two lipid acyl chains, forming a 1:l complex.

Ion channel behavior of amphotericin B in sterol-free and cholesterol- or ergosterol-containing supported phosphatidylcholine bilayer model membranes investigated by electrochemistry and spectroscopy

Amphotericin B (AmB) is a popular drug frequently applied in the treatment of systemic fungal infections. In the presence of ruthenium (II) as the maker ion, the behavior of AmB to form ion channels in sterol-free and cholesterol- or ergosterol-containing supported phosphatidylcholine bilayer model membranes were studied by cyclic votammetry, AC impedance spectroscopy, and UV/visible absorbance spectroscopy. Different concentrations of AmB ranging from a molecularly dispersed to a highly aggregated state of the drug were investigated. In a fixed cholesterol or ergosterol content (5 mol %) in glassy carbon electrode-supported model membranes, our results showed that no matter what form of AmB, monomeric or aggregated, AmB could form ion channels in supported ergosterol-containing phosphatidylcholine bilayer model membranes. However, AmB could not form ion channels in its monomeric form in sterol-free and cholesterol-containing supported model membranes. On the one hand, when AmB is present as an aggregated state, it can form ion channels in cholesterol-containing supported model membranes; on the other hand, only when AmB is present as a relatively highly aggregated state can it form ion channels in sterol-free supported phosphatidylcholine bilayer model membranes. The results showed that the state of AmB played an important role in forming ion channels in sterol-free and cholesterol-containing supported phosphatidylcholine bilayer model membranes.

Self-assembly of the anti-fungal polyene amphotericin B into giant helically-twisted nanotapes

The amphiphilic polyene amphotericin B, a powerful treatment for systemic fungal infections, is shown to exhibit a critical aggregation concentration, and to form giant helically-twisted nanostructures via self-assembly in basic aqueous solution.

Combination Efficacy of Voriconazole and Amphotericin B in the Experimental Disease in Immunodeficient Mice Caused by Fluconazole-resistant Cryptococcus neoformans

The therapeutic efficacy of amphotericin B and voriconazole alone and in combination with one another were evaluated in immunodeficient mice (BALB/c-SCID) infected with a fluconazole-resistant strain of Cryptococcus neoformans var. grubii. The animals were infected intravenously with 3 x 10(5) cells and intraperitoneally treated with amphotericin B (1.5 mg/kg/day) in combination with voriconazole (40 mg/kg/days). Treatment began 1 day after inoculation and continued for 7 and 15 days post-inoculation. The treatments were evaluated by survival curves and yeast quantification (CFUs) in brain and lung tissues. Treatments for 15 days significantly promoted the survival of the animals compared to the control groups. Our results indicated that amphotericin B was effective in assuring longest-term survival of infected animals, but these animals still harbored the highest CFU of C. neoformans in lungs and brain at the end of the experiment. Voriconazole was not as effective alone, but in combination with amphotericin B, it prolonged survival for the second-longest time period and provided the lowest colonization of target organs by the fungus. None of the treatments were effective in complete eradication of the fungus in mice lungs and brain at the end of the experiment.

In vitro sensitivity of Leishmania (Viannia) braziliensis and Leishmania (Leishmania) amazonensis Brazilian isolates to meglumine antimoniate and amphotericin B

Resistance of Leishmania parasites to specific chemotherapy has become a well-documented problem in the Indian subcontinent in recent years but only a few studies have focused on the susceptibility of American Leishmania isolates. Our susceptibility assays to meglumine antimoniate were performed against intracellular amastigotes after standardizing an in vitro model of macrophage infection appropriate for Leishmania (Viannia) braziliensis isolates. For the determination of promastigote susceptibility to amphotericin B, we developed a simplified MTT-test. The sensitivity in vitro to meglumine antimoniate and amphotericin B of 13 isolates obtained from Brazilian patients was determined. L. (V.) braziliensis isolates were more susceptible to meglumine antimoniate than Leishmania (Leishmania) amazonensis. EC(50), EC(90) and activity indexes (calculated over the sensitivity of reference strains), suggested that all isolates tested were susceptible in vitro to meglumine antimoniate, and did not show association with the clinical outcomes. Isolates were also uniformly susceptible in vitro to amphotericin B.

Structural characterization of the interaction of the polyene antibiotic Amphotericin B with DODAB bicelles and vesicles

Amphotericin B (AmB) is widely used in the treatment of systemic fungal infections, despite its toxic effects. Nephrotoxicity, ascribed as the most serious toxic effect, has been related to the state of aggregation of the antibiotic. In search of the increase in AmB antifungal activity associated with low toxicity, several AmB-amphiphile formulations have been proposed. This work focuses on the structural characterization of a specific AmB formulation: AmB associated with sonicated dioctadecyl dimethylammonium bromide (DODAB) aggregates. Here, it was confirmed that sonicated DODAB dispersion is constituted by DODAB bicelles, and that monomeric AmB is much more soluble in bicelles than in DODAB vesicles. A new optical parameter is proposed for the estimation of the relative amount of amphiphile-bound monomeric AmB. With theoretical simulations of the spectra of spin labels incorporated in DODAB bicelles it was possible to prove that monomeric AmB binds preferentially to lipids located at the edges of DODAB bicelles, rigidifying them, and decreasing the polarity of the region. That special binding of monomeric AmB along the borders of bicelles, where the lipids are highly disorganized, could be used in the formulation of other carriers for the antibiotic, including mixtures of natural lipids which are known to form bicelles. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Amphotericin B mediates killing in Cryptococcus neoformans through the induction of a strong oxidative burst

We studied the effects of Amphotericin B (AmB) on Cryptococcus neoformans using different viability methods (CFUs enumeration, XTT assay and propidium iodide permeability). After 1 h of incubation, there were no viable colonies when the cells were exposed to AmB concentrations >= 1 mg/L. In the same conditions, the cells did not become permeable to propidium iodide, a phenomenon that was not observed until 3 h of incubation. When viability was measured in parallel using XTT assay, a result consistent with the CFUs was obtained, although we also observed a paradoxical effect in which at high AmB concentrations, a higher XTT reduction was measured than at intermediate AmB concentrations. This paradoxical effect was not observed after 3 h of incubation with AmB, and lack of XTT reduction was observed at AmB concentrations higher than 1 mg/L. When stained with dihydrofluorescein, AmB induced a strong intracellular oxidative burst. Consistent with oxidative damage, AmB induced protein carbonylation. Our results indicate that in C. neoformans, Amphotericin B causes intracellular damage mediated through the production of free radicals before damage on the cell membrane, measured by propidium iodide uptake. (C) 2011 Institut Pasteur. Published by Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Amphotericin B Microemulsion Reduces Toxicity and Maintains the Efficacy as an Antifungal Product

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)